張培晶,牛麗波,宋 蕾,陳天祥,張 桐*
(1.中國(guó)人民公安大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心,北京 100038;2. 北京警察學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全保衛(wèi)系,北京 102202)
“教學(xué)練戰(zhàn)一體化”模式是公安院校人才培養(yǎng)和教學(xué)實(shí)踐的標(biāo)志性成果。該模式旨在通過(guò)從教、學(xué)、練、戰(zhàn)四個(gè)方面來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程,將知識(shí)講解、學(xué)習(xí)思考、技能訓(xùn)練和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)對(duì)有機(jī)結(jié)合,促進(jìn)公安專業(yè)學(xué)生能力素養(yǎng)與綜合技能的同步提升[1]。
近年來(lái),新一輪科技革命帶來(lái)社會(huì)治安環(huán)境與警務(wù)模式的深刻變革,公安工作智慧化水平日新月異,公安教育工作面臨著巨大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在此背景下,適應(yīng)新時(shí)期政法公安工作對(duì)專業(yè)人才培養(yǎng)的新需求和新要求,積極引入5G、虛擬現(xiàn)實(shí)、云計(jì)算和人工智能等新一代信息技術(shù),構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新性公安實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)環(huán)境和平臺(tái),推進(jìn)公安實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)訓(xùn)練設(shè)施和平臺(tái)向數(shù)字化、智慧化升級(jí),促進(jìn)形成公安執(zhí)法實(shí)踐教學(xué)和實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練新模式,已經(jīng)成為提升公安教育訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)化水平的必然選擇。
“教學(xué)練戰(zhàn)一體化”教學(xué)模式的開展,需要配套的教學(xué)設(shè)施和平臺(tái)支撐。當(dāng)前,相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)施和仿真教學(xué)系統(tǒng)不同程度地存在以下問(wèn)題:
(1)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入和適配能力凸顯不足,制約了移動(dòng)泛在學(xué)習(xí)和高清視頻傳輸、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新技術(shù)在教學(xué)練戰(zhàn)中的應(yīng)用。傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并發(fā)接入能力和傳輸速率、時(shí)延等瓶頸問(wèn)題,無(wú)法有效支撐學(xué)生開展沉浸式的在線學(xué)習(xí)。對(duì)于傳輸帶寬和實(shí)時(shí)性要求較高的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)等設(shè)備的使用,卡頓和延時(shí)嚴(yán)重影響參訓(xùn)者的體驗(yàn)。盡管Wi-Fi 6 等新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在帶寬方面有所改善,但是廣域空間的接入能力仍然受限。
(2)數(shù)據(jù)傳輸安全與共享問(wèn)題,導(dǎo)致模擬訓(xùn)練與實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的協(xié)同度不夠。一方面,由于公安實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)的敏感性高,難以實(shí)現(xiàn)向公安院校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的開放共享,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)的鮮活度不夠。另一方面,公安院校自身智慧校園建設(shè)所形成的平臺(tái)能力與真實(shí)數(shù)據(jù),由于缺少相應(yīng)的轉(zhuǎn)換接口和銜接機(jī)制,在實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)訓(xùn)練中未得到有效利用。
(3)多元化上層應(yīng)用缺少統(tǒng)一的支撐平臺(tái)。各專業(yè)應(yīng)用建設(shè)所用的技術(shù)選型、基礎(chǔ)平臺(tái)復(fù)雜多樣,每類應(yīng)用與平臺(tái)多為強(qiáng)關(guān)聯(lián)模式,“多平臺(tái)+多應(yīng)用”模式制約了平臺(tái)整合、應(yīng)用遷移和數(shù)據(jù)共享,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)成本高、復(fù)用度低、可持續(xù)性差。
5G 技術(shù)將促進(jìn)云計(jì)算、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、超高清直播等技術(shù)深度融入教育各領(lǐng)域,為公安教育訓(xùn)練改革帶來(lái)機(jī)遇。具體表現(xiàn)為:
(1)5G 技術(shù)的分布架構(gòu)和特點(diǎn),賦予5G 網(wǎng)絡(luò)極佳的移動(dòng)性,增強(qiáng)了移動(dòng)視頻采集和移動(dòng)直播的靈活性,能夠有效支撐高品質(zhì)的泛在學(xué)習(xí)訓(xùn)練。
(2)憑借5G 超高速、低延時(shí)等特點(diǎn),可將3D模型、虛擬仿真、VR等資源無(wú)損耗地高速傳輸與利用,促進(jìn)“人機(jī)交互、虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)環(huán)境創(chuàng)設(shè),使得教育訓(xùn)練的內(nèi)容更加多樣、形式更加豐富、流轉(zhuǎn)更加便利[2]。
(3)5G 網(wǎng)絡(luò)的廣聯(lián)接特性能夠?qū)崿F(xiàn)廣域空間有效覆蓋,使物聯(lián)接入更便捷和廣泛,虛實(shí)空間的物理映射更實(shí)時(shí),讓實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取更及時(shí)。
(4)5G 切片技術(shù)與邊緣計(jì)算能力相結(jié)合,能夠有效構(gòu)建邏輯隔離的專用網(wǎng)絡(luò),服務(wù)公安院校與實(shí)戰(zhàn)部門之間的數(shù)據(jù)安全傳輸與共享。
(5)5G 讓云觸手可及,加速數(shù)據(jù)向云端匯集,促進(jìn)教學(xué)練戰(zhàn)業(yè)務(wù)的云化整合,支撐數(shù)字化教學(xué)資源的內(nèi)部流動(dòng)以及跨地區(qū)共建共享[3]。
針對(duì)公安專業(yè)實(shí)踐教學(xué)和綜合訓(xùn)練需要,以5G 網(wǎng)絡(luò)為牽引,構(gòu)建支撐智慧教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)和智慧校園運(yùn)行管理的開放信息平臺(tái),建設(shè)支持教師靈活創(chuàng)設(shè)情景和學(xué)生自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練的實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。信息平臺(tái)總體建設(shè)目標(biāo)如圖1所示。平臺(tái)通過(guò)與學(xué)校智慧校園建設(shè)的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施共享、技術(shù)共享、數(shù)據(jù)共享、模型共享與引擎共享復(fù)用,支撐教學(xué)練戰(zhàn)各環(huán)節(jié)的整合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)教育訓(xùn)練與實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用互相促進(jìn)。一方面,豐富的校園管理運(yùn)行數(shù)據(jù)可以為實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)提供鮮活數(shù)據(jù)。另一方面,公安專業(yè)最新智慧警務(wù)應(yīng)用可以為學(xué)校的安全保衛(wèi)、應(yīng)急處突和預(yù)警研判等提供模型與系統(tǒng)支撐。

圖1 “5G+教學(xué)練戰(zhàn)一體化”信息平臺(tái)總體功能
平臺(tái)遵循層次化、結(jié)構(gòu)化、構(gòu)件化與可擴(kuò)展的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì),平臺(tái)邏輯架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層組成,如圖2 所示。

圖2 “5G+教學(xué)練戰(zhàn)一體化”信息平臺(tái)邏輯架構(gòu)
圍繞信息平臺(tái)總體建設(shè)目標(biāo),平臺(tái)采用面向服務(wù)(SOA)的體系設(shè)計(jì)和基于B/S/D 三層結(jié)構(gòu)的技術(shù)架構(gòu),使用前后端分離模式開發(fā),如圖3所示。前端表現(xiàn)層基于Vue 框架搭建Web 應(yīng)用程序,結(jié)合HTML5-WebGL、Canvas 等技術(shù)對(duì)瀏覽器渲染進(jìn)行深度優(yōu)化,既能滿足現(xiàn)階段數(shù)據(jù)展示又具備應(yīng)對(duì)未來(lái)大數(shù)據(jù)擴(kuò)展的需求[4]。數(shù)據(jù)服務(wù)層與業(yè)務(wù)邏輯處理層為SpringBoot+MyBatis開發(fā)的微服務(wù)架構(gòu),具有高擴(kuò)展、高復(fù)用、低耦合、部署便捷、自嵌入容器等特點(diǎn)。

圖3 “5G+教學(xué)練戰(zhàn)一體化”信息平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)
基層設(shè)施層包括云網(wǎng)設(shè)施、物聯(lián)數(shù)據(jù)采集設(shè)施、融合通信與指揮控制設(shè)施等。
“5G+教學(xué)練戰(zhàn)一體化”平臺(tái)采取“云網(wǎng)協(xié)同”的部署模式,保障內(nèi)容的便捷更新與安全傳輸。通過(guò)融合5G 網(wǎng)、Wi-Fi 6和光纖寬帶等技術(shù),構(gòu)建高速泛在、安全可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,提供高可靠、低成本、大并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)接入能力,保障移動(dòng)接入和高清視頻、VR/AR 等大數(shù)據(jù)量傳輸需求;同時(shí),結(jié)合云計(jì)算、邊緣計(jì)算等技術(shù),滿足教學(xué)練戰(zhàn)應(yīng)用對(duì)泛在連接、泛在計(jì)算、泛在存儲(chǔ)等需求。
依托5G 和校園有線網(wǎng),建設(shè)智慧教室、智慧實(shí)驗(yàn)室、智慧訓(xùn)練場(chǎng)所視頻采集和物聯(lián)接入設(shè)施,實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)、現(xiàn)場(chǎng)訓(xùn)練的實(shí)況高清采集,實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、智能穿戴采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入,實(shí)現(xiàn)校園一卡通數(shù)據(jù)、門禁數(shù)據(jù)、校情數(shù)據(jù)、教務(wù)數(shù)據(jù)的全面匯集,為各類教學(xué)練戰(zhàn)應(yīng)用與分析評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。
根據(jù)公安指揮調(diào)度和校園安全管理需要,建設(shè)PDT 集群窄帶網(wǎng)絡(luò)和5G 寬帶網(wǎng)絡(luò)的融合通信系統(tǒng)。在指揮調(diào)度實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用或?qū)嵕坝?xùn)練中,通過(guò)對(duì)通信指令和語(yǔ)音進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、IP 化處理,實(shí)現(xiàn)窄帶調(diào)度;同時(shí)利用5G 寬帶網(wǎng)絡(luò)把實(shí)訓(xùn)全景展現(xiàn)在學(xué)校綜合指揮大廳,最終實(shí)現(xiàn)指令可達(dá)、現(xiàn)場(chǎng)可視。此外,建立5G+智能巡航定位與控制系統(tǒng),支撐智能巡邏機(jī)器人、無(wú)人駕駛車輛、無(wú)人機(jī)等應(yīng)用。
平臺(tái)服務(wù)層采用中臺(tái)技術(shù),通過(guò)對(duì)服務(wù)、數(shù)據(jù)和模型的封裝,形成可復(fù)用的能力,支撐上層教學(xué)練戰(zhàn)應(yīng)用的實(shí)景化情景創(chuàng)設(shè)、交互式操作引導(dǎo)和動(dòng)態(tài)化推演分析。平臺(tái)提供組件化的引擎調(diào)用,引擎之間也支持相互調(diào)用。
仿真引擎是情景化應(yīng)用創(chuàng)設(shè)的基礎(chǔ),可以為仿真資源的建模、標(biāo)注、管理和模擬運(yùn)行提供支撐。
(1)環(huán)境類仿真。該仿真模塊用來(lái)描述作戰(zhàn)過(guò)程所涉及的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境屬性和特征,可以為演練提供高精度的環(huán)境數(shù)據(jù),提高演練的可信性和逼真性。主要包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境模擬、氣象環(huán)境模擬、交通流模擬等。①現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境仿真模塊在地理信息系統(tǒng)支持下,生成現(xiàn)場(chǎng)三維空間模型以及表層紋理影像;②氣象環(huán)境模擬具備任務(wù)區(qū)氣象環(huán)境模擬能力,包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、能見度和天氣現(xiàn)象(如云、雨、雪)的模擬;③交通環(huán)境模擬基于人工智能,以想定條件作為輸入對(duì)任務(wù)區(qū)內(nèi)的交通環(huán)境進(jìn)行模擬,可模擬通暢、擁堵、阻塞等交通狀況。
(2)人車物實(shí)體仿真。根據(jù)公安專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中有關(guān)犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建、交通事故現(xiàn)場(chǎng)、大型活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)重現(xiàn)等方面的應(yīng)用需要,構(gòu)建可復(fù)用的三維實(shí)體模型。實(shí)體模型包括人員模型、車輛模型、警用設(shè)施模型、犯罪實(shí)物模型等。
根據(jù)建模技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式的不同,仿真資源建模分別采用基于建模軟件的人工標(biāo)繪幾何建模和基于人工智能算法的生成式建模。前者主要用于初始化階段的靜態(tài)建模,形成標(biāo)準(zhǔn)化、可共享的三維模型(如OBJ、FBX、DAE等);后者主要用于數(shù)字孿生場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)生成建模。
地理空間引擎為案例場(chǎng)景的空間建模和數(shù)字孿生建模提供地理信息模型、地理坐標(biāo)系統(tǒng)和空間分析能力。
(1)地圖可視化功能。可以實(shí)現(xiàn)二維和三維地理空間渲染生成、地球模擬和地形分析,也支持不同類型空間數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換。
(2)地理坐標(biāo)功能。通過(guò)構(gòu)建數(shù)字坐標(biāo)體系和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,將現(xiàn)實(shí)世界的地理空間信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字空間信息,以實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型中的空間關(guān)系與現(xiàn)實(shí)世界相一致。
(3)地理空間查詢與分析功能。能夠?qū)崿F(xiàn)空間位置查詢、緩沖區(qū)分析、疊加分析、熱點(diǎn)分析、路徑規(guī)劃分析等功能。
地理空間引擎的實(shí)現(xiàn)采用Cesium 開源框架[5],通過(guò)JavaScript 進(jìn)行開發(fā),基于Web 方式實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面的三維建模、導(dǎo)航漫游和路徑分析。
交互式渲染引擎提供圖形圖像渲染和人機(jī)交互導(dǎo)航能力。其中,可視化渲染模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬世界中的物體、場(chǎng)景、光源等進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染,生成具有真實(shí)感的三維場(chǎng)景,準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出物體的紋理、光照等屬性。
為滿足參訓(xùn)學(xué)員的多終端、跨平臺(tái)和輕量級(jí)應(yīng)用需要,平臺(tái)采用WebGL2.0 技術(shù),在瀏覽器中實(shí)現(xiàn)3D圖形渲染和導(dǎo)航建模。
流程編排和導(dǎo)控引擎提供可交互的業(yè)務(wù)方案設(shè)定、運(yùn)行推演和導(dǎo)調(diào)控制功能,實(shí)現(xiàn)流程邏輯設(shè)置、演練數(shù)據(jù)管理、演練運(yùn)行控制等。
(1)方案設(shè)定。提供可視化流程編排工具,支持按照想定預(yù)案進(jìn)行演化流程設(shè)定、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入、演練參數(shù)設(shè)定和導(dǎo)控節(jié)點(diǎn)設(shè)置,設(shè)置和編排人機(jī)交互規(guī)程和動(dòng)態(tài)演進(jìn)分支,支持在電子地圖上利用標(biāo)繪實(shí)體形式來(lái)制定預(yù)設(shè)方案。
(2)運(yùn)行推演。根據(jù)預(yù)設(shè)劇情進(jìn)行裝備模型、物理模型和行為模型的運(yùn)行及調(diào)度,實(shí)時(shí)產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù),最終實(shí)現(xiàn)基于時(shí)間維度的典型案例或?qū)\生現(xiàn)場(chǎng)可視化呈現(xiàn)。在應(yīng)急處理仿真推演中,用路徑動(dòng)畫、閃爍動(dòng)畫、顯隱動(dòng)畫、旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫、生長(zhǎng)動(dòng)畫形式按照時(shí)間進(jìn)行發(fā)展推演,顯示方案推演效果。
(3)導(dǎo)調(diào)控制。根據(jù)交互式實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需要,提供參訓(xùn)人員對(duì)演練進(jìn)程予以干預(yù)和調(diào)整的功能。結(jié)合設(shè)立多個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)切分案例,預(yù)設(shè)發(fā)展分支,支持對(duì)案例進(jìn)行介入性推演。
行為仿真引擎提供專業(yè)計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)各類參與實(shí)體的行為仿真和演化模擬。主要功能如下:
(1)運(yùn)動(dòng)模型。用來(lái)描述各類實(shí)體的運(yùn)動(dòng)特性,包括步行、自行車、摩托車、汽車、公交、地鐵等模型。通過(guò)輸出運(yùn)載人數(shù)、軌跡、速度、乘降地點(diǎn)等信息,結(jié)合路徑分析和派警路徑規(guī)劃功能,實(shí)現(xiàn)路況信息展示、指揮員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度任務(wù)下達(dá)等場(chǎng)景。
(2)信息傳播模型。用來(lái)描述人際關(guān)系、互聯(lián)網(wǎng)、短信、電話、廣播等方式信息傳播過(guò)程。
(3)聚集響應(yīng)模型。用來(lái)描述警方各類措施對(duì)目標(biāo)地區(qū)人群聚集程度影響,包括對(duì)進(jìn)入和離開目標(biāo)地區(qū)人數(shù)的影響。警方措施包括信息發(fā)布、提示、預(yù)警、交通管制、封閉公共交通、設(shè)置柵欄及其他各類驅(qū)散措施。
(4)騷亂控制模型。通過(guò)建立紅藍(lán)蘭徹斯特方程,輸出雙方戰(zhàn)斗力,描述不同警力對(duì)目標(biāo)地區(qū)人群騷亂的控制程度。
公安專業(yè)不同類型實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)應(yīng)用的靈活創(chuàng)設(shè),主要在應(yīng)用層通過(guò)對(duì)系統(tǒng)資源、案例情景和參訓(xùn)用戶的設(shè)置與管理予以實(shí)現(xiàn)。
主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置、模型庫(kù)資源管理和服務(wù)資源的管理與監(jiān)測(cè),為進(jìn)一步的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景設(shè)定和運(yùn)行提供支持。系統(tǒng)配置包括樣式設(shè)置、角色管理和授權(quán)管理等。模型庫(kù)資源管理提供對(duì)實(shí)踐教學(xué)所需的預(yù)案庫(kù)、場(chǎng)景庫(kù)、警械庫(kù)和犯罪實(shí)體庫(kù)等數(shù)據(jù)模型的管理。系統(tǒng)預(yù)設(shè)多種已經(jīng)創(chuàng)建好的仿真場(chǎng)景數(shù)據(jù)模板。教師可以直接使用這些預(yù)設(shè)仿真場(chǎng)景,也可基于這些場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整,從而快速創(chuàng)設(shè)實(shí)訓(xùn)課程。
支持系統(tǒng)管理人員或指導(dǎo)教師,根據(jù)教學(xué)所需,自主設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)場(chǎng)和操作規(guī)程。通過(guò)利用服務(wù)層提供的各類引擎以及仿真標(biāo)繪工具、全景標(biāo)記工具、流程編輯工具,結(jié)合不同類型公安典型案事件的真實(shí)場(chǎng)景與發(fā)展規(guī)律,進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)仿真場(chǎng)景的搭建、編輯和制作形成相應(yīng)的訓(xùn)練模板,以支撐各類典型案事件的重現(xiàn)分析教學(xué)和操作技能訓(xùn)練。
支持系統(tǒng)管理人員或指導(dǎo)教師針對(duì)不同的學(xué)生群體,進(jìn)行組織機(jī)構(gòu)設(shè)置、賬號(hào)創(chuàng)設(shè),并授予相應(yīng)的權(quán)限和實(shí)訓(xùn)模組,不同專業(yè)的學(xué)生即可根據(jù)相應(yīng)授權(quán)參與實(shí)訓(xùn)演練,進(jìn)行自主訓(xùn)練。
本文分析5G 網(wǎng)絡(luò)特性及其對(duì)公安教育的影響,圍繞新時(shí)期智慧化公安專業(yè)教學(xué)練戰(zhàn)需要,通過(guò)開放性的系統(tǒng)架構(gòu)和一體化方案設(shè)計(jì),構(gòu)建教學(xué)練戰(zhàn)應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施、支撐平臺(tái)和數(shù)據(jù)底座,以支持相關(guān)專業(yè)教師根據(jù)實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)需要敏捷開發(fā)上層應(yīng)用,靈活創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程。該平臺(tái)有關(guān)主體功能已初步實(shí)現(xiàn),并在應(yīng)急指揮處置、犯罪現(xiàn)場(chǎng)勘察、交通事故處理等方面開展了試點(diǎn)應(yīng)用。